1、金屬材料制備（冶金）及發展趨勢 材料工程基礎（論文）小論文：金屬材料制備院系名稱：材料與化工學院班 級：材科14卓越班學 號：-任課老師：-學生姓名：- 2016 年 10 月1 前 言31.1 引言31.2.1 冶金31.2.2冶金的方法41.1.2.1火法冶金41.1.2.2濕法冶金51.1.2.3電冶金61.2.4生鐵的冶煉81.2.5鋼的冶煉112. 有色金屬冶煉122.1 銅的冶煉122.2 鋁的冶煉133 金屬材料的發展方向14摘 要金屬材料自古以來都占據著極其重要的地位，開發新型材料，改良傳統金屬材料顯得尤為重要。金屬材料的發展，是從傳統金屬材料向合成金屬材料，雖然根本轉變己經初

2、步實現，但由于我國經濟的制約，直到現在我國才只是初步建立起現代市場金屬材料發展趨勢，還沒有完全改變傳統的金屬材料發展的觀念。這在發展上并沒有把生態和金屬材料發展作為基本，這對我國金屬材料發展的道路非常不利。本文主要討論金屬材料的制備、現狀以及未來發展。1 前 言1.1 引言縱觀歷史，人類文明的發展和社會的進步同金屬材料關系十分密切。繼石器時代之后出現的銅器時代、鐵器時代，均以金屬材料的應用為其時代的顯著標志。現代，種類繁多的金屬材料已成為人類社會發展的重要物質基礎。本文主要討論金屬材料的制備（主要為冶金工藝）、現狀以及未來發展。1.2 冶金工藝（現狀）1.2.1 冶金 冶金的定義:關于礦產資源

3、的開發利用和金屬材料生產加工過程的工程技術。冶金的原因和目的：地球上已發現86種金屬元素，除金、銀、鉑等金屬元素能以自然狀態存在外，其他絕大多數金屬元素都以氧化物、硫化物、砷化物、碳酸鹽、硅酸鹽、硫酸鹽等形態存在于各類礦物中。因此，要獲得各種金屬及其合金材料，必須首先通過各種方法將金屬元素從礦物中提取出來，接著對粗煉金屬產品進行精煉提純和合金化處理，然后澆注成錠，軋制成材，才能得到所需成分、結構、性能和規格的金屬材料。1.2.2冶金的方法 冶金工藝可以分為火法冶金、濕法冶金和電冶金三大類。1.1.2.1火法冶金 火法冶金：利用高溫從礦石中提取金屬或其化合物的方法。 特點：火法冶金是生產金屬材料

4、的重要方法，鋼鐵及大多數有色金屬（鋁、銅、鎳、鉛、鋅等）材料主要靠火法冶金工藝生產。用火法冶金方法提取金屬的成本較低，所以，火法冶金是生產金屬材料的主要方法。火法冶金的基本過程 火法冶金通常包括礦石準備、冶煉和精煉三個過程。 （1）礦石準備 采掘的礦石含有大量無用的脈石，需要經過選礦以獲得含有較多金屬元素的精礦。經過選礦后，有時還需對礦石進行焙燒、球化或燒結等。（2）冶煉 將處理好的礦石，用氣體或固體還原劑還原為金屬的過程稱為冶煉。金屬冶煉所采用的還原劑包括焦炭、氫和活潑金屬等。（3）精煉 冶煉所得到的金屬含有少量的雜質, 需要進一步處理以去除雜質，這種對冶煉的金屬進行去除雜質提高純度的處理過

5、程稱為精煉。 2.火法冶金的主要方法 火法冶金的主要方法有提煉冶金、氯化冶金、噴射冶金和真空冶金等。 （1）提煉冶金 提煉冶金是指由焙燒、燒結、還原熔煉、氧化熔煉、造渣、造硫、精煉等單元過程按照需要所構成的冶金方法。提煉冶金是火法冶金中應用最廣泛的方法。（2）氯化冶金 通過氯化物提取金屬的方法稱為氯化冶金。氯化冶金主要依據不同金屬氯化物的物理化學性質，來有效實現金屬的分離、提取和精煉。輕金屬和稀有金屬的提取多采用火法氯化冶金。 （3）噴射冶金 利用氣泡、液滴、顆粒等高度彌散系統來提高冶金反應效率的冶金過程稱為噴射冶金。噴射冶金是70年代由鋼包中噴粉精煉發展起來的新工藝。 （4）真空冶金 在真空

6、條件下完成金屬和合金的熔煉、精煉、重熔、鑄造等冶金單元操作，以及使金屬液在真空下脫氧、脫氣、揮發、減免二次玷污等的工藝原理和方法稱為真空冶金。真空冶金是提高金屬材料質量，保證高技術所必需的特殊材料生產的重要方法。 1.1.2.2濕法冶金 濕法冶金：是利用一些溶劑的化學作用，在水溶液或非水溶液中進行包括氧化、還原、中和、水解和絡合等反應，對原料、中間產物或二次再生資源中的金屬進行提取和分離的冶金過程。濕法冶金包括浸取、固液分離、溶液的富集和從溶液中提取金屬或化合物等四個過程。 1.浸取 浸取是選擇性溶解的過程。通過選擇合適的溶劑使被處理過的礦石中包含的一種或幾種有價值的金屬選擇性地溶解進入溶液，

7、從而與其他不溶物質分離。根據所用的浸取液的不同，可分為酸浸、堿浸、氨浸、氰化物浸取、有機溶劑浸取等。在選擇浸取液時，不僅要考慮它應具有高的浸取率和選擇性好，而且要考慮它應易于過濾和回收。 2.固液分離 固液分離包括過濾、洗滌或離心分離等操作。在固液分離的過程中，一方面要將浸取的溶液與殘渣分離，另一方面還要將留存在殘渣中的溶劑和金屬離子等回收利用。 3.溶液的富集 富集是對浸取溶液的凈化和濃集過程。富集的方法有化學沉淀、離子沉淀、溶劑萃取、膜分離或其他方法。 4.提取金屬或化合物 在金屬材料的生產中，常采用電解、化學置換和加氫還原等方法來提取金屬或化合物。例如用電解法從凈化液中提取Au，Ag，C

8、u，Zn，Ni，Co等純金屬；而Al，W，Mo，V等多數以含氧酸的形式存在于凈化液中，一般先析出其氧化物，然后用氫還原或熔鹽電解制取金屬。濕法冶金在有色金屬、稀有金屬及貴金屬等生產中占有重要地位。世界上全部的氧化鋁、氧化鈾、約74%的鋅、12%的銅及多數稀有金屬都是用濕法冶金方法生產的。濕法冶金的最大優點是對環境的污染較小，能處理低品位的礦石。 1.1.2.3電冶金 利用電能從礦石或其他原料中提取、回收、精煉金屬的冶金過程稱為電冶金。電冶金主要包括電熱熔煉、水溶液電解和熔鹽電解三個方面。 1.電熱熔煉 用電加熱生產金屬的冶金方法稱為電熱熔煉。鐵合金冶煉及用廢鋼煉鋼主要采用電熱熔煉。電熱熔煉包括

9、電弧熔煉、等離子冶金和電磁冶金等。 （1）等離子冶金 等離子是清潔能源，是電能轉換為熱能的最有效途徑。等離子弧有非常高的能量密度，為超高溫冶金提供了有力條件。等離子弧可以方便地控制氣氛。無論是在大規模熔煉鐵合金或有色金屬、快速加熱鋼液或高爐風口方面，還是在惰性氣氛下重熔或熔鑄金屬方面，都有廣闊的發展前景。（2）電磁冶金 利用電磁感應在金屬熔體內產生可控流動的冶金過程稱為電磁冶金。早期利用電磁力對鋼包和連鑄坯的鋼液進行攪拌以改善鋼的質量；近來又發展了懸浮熔煉、冷坩堝熔煉、電磁鑄造等。電磁冶金對于防止耐火材料污染金屬、熔煉難熔及活潑金屬具有重要作用。2.水溶液電解 在電冶金中，應用水溶液電解精煉金

10、屬稱為電解精煉或可溶陽極電解；而應用水溶液電解從浸取液中提取金屬稱為電解提取或不溶陽極電解,如圖：3.熔鹽電解 鋁、鎂、鈉等活潑金屬無法在水溶液中電解，必須選用具有高導電率、低熔點的熔鹽通常為幾種鹵化物的混合物作為電解質在熔鹽中進行電解。第二節 鋼鐵冶煉鋼鐵冶煉包括從開采鐵礦石到使之變成供制造零件所使用的鋼材和鑄造生鐵為止的全過程。其基本過程如圖所示。1.2.4生鐵的冶煉 生鐵是用鐵礦石在高爐中經過一系列的物理化學過程冶煉出來的。高爐煉鐵的本質是鐵的還原過程，即使用焦炭做燃料和還原劑，在高溫下將鐵礦石或含鐵原料中的鐵從氧化物或礦物狀態還原為液態生鐵。高爐煉鐵的基本過程如圖所示。1. 煉鐵的原料

11、 煉鐵的原料主要包括鐵礦石、熔劑及焦炭。焦炭作為燃料和還原劑，是主要能源；熔劑，如石灰石，主要用來助熔、造渣；鐵礦石則是冶煉的對象。這些原料是高爐冶煉的物質基礎，其質量對冶煉過程及冶煉效果影響極大。 （1）鐵礦石 鐵礦石是由一種或幾種含鐵礦物和脈石所組成。含鐵礦物是具有一定化學成分和結晶構造的化合物，脈石也是由各種礦物加石英、長石等組成并以化合物形態存在的，所以，鐵礦石實際是由各種化臺物所組成的機械混合物。 自然界含鐵礦物很多，而具有經濟價值的礦床，一般認為有四類：一般的鐵礦石很難完全滿足要求，須在入爐前進行必要的準備處理。 天然富礦需經破碎、篩分以獲得合適而均勻的粒度。褐鐵礦、菱鐵礦和致密磁

12、鐵礦應進行焙燒處理，以去除其結晶水和二氧化碳，提高品位，疏松其組織，改善還原性，提高冶煉效果。 貧鐵礦的處理比較復雜。一般需經過破碎、篩分、細磨、精選，得到含鐵60%以上的精礦粉，經混勻后進行造塊，制成人造富礦，然后按高爐粒度要求進行適當破碎、篩分才能入爐。 a. 破碎篩分 所有開采來的大塊礦石，都要用各種破碎機進行破碎，而后進行篩分，并按其大小進行分類。粒度小的富礦石，應將其磨成粉料，燒結成塊然后再用。貧礦石要全部破碎并磨成粉料，經過選礦燒結后才能使用。b. 選礦 選礦是依據礦石的性質，采用適當的方法，把有用礦石和脈石機械地分開，從而使有用礦物富集的過程。通過選礦可使礦石品位提高，去除部分有

13、害雜質，回收有用元素如釩、鉻等，使礦物資源得到充分利用。 通過獲得的有用富集礦稱為精礦；其余部分叫尾礦，主要由脈石組成，一般廢棄。在對復合鐵礦石選礦時，常有一些有用元素富集于尾礦中，必須將它們進一步精選出來。 現代煉鐵工業中，常采用兩種選礦方法：水選（重選）和磁選。水選基本是利用礦石中含鐵礦物和脈石不重不同的特點，用水將含鐵礦物和脈石分離開。磁選用于磁鐵礦，利用磁力將含鐵礦物與脈石分離。 c. 燒結和造塊 富選得到的精礦粉，天然富礦粉碎篩分后的粉礦，不能直接加入高爐，必須用燒結或制團的方法將它們重新造塊，制成燒結礦、球團礦方能入爐。鐵礦粉造塊并非簡單地將細礦粉制成團礦，而是在造塊過程中采用一些

14、技術，以生產出優質的冶煉原料。例如加入CaO、MgO以提高礦石堿度；在可能的條件下加入還原劑C，改善礦石的還原性能。鐵礦粉造塊過程中，還可以去除某些雜質元素。鐵礦粉造塊技術使高爐冶煉的各項技術得到大幅度提高。 （2）熔劑熔劑的作用 a. 降低脈石熔點。脈石和燃料中的灰分都含有一些熔點很高的化合物如二氧化硅熔點為1625、氧化鋁熔點為2050，它們在高爐冶煉的溫度下，不能熔化成液體，因而使它們不能很好地與金屬分離。加入熔劑后可生成低熔點的化合物，造成比重小于鐵的渣，從而使脈石與鐵相分離。b. 去硫。燃料中的硫會溶入鐵中，影響鐵的質量。利用硫易于鈣相結合的特性，使其生成CaS進入渣中，從而將硫去除

15、。 熔劑種類 根據熔劑性質可分堿性熔劑和酸性熔劑。采用哪一種熔劑要根據礦石中脈石和燃料中灰分的性質來決定。由于自然界礦石中脈石大多數為酸性，焦炭灰分也都是酸性的，所以通常都使用堿性熔劑石灰石，酸性熔劑很少使用。3焦炭 焦炭是用焦煤在隔絕空氣的高溫（1000）下，進行干餾、碳化而得到的多孔塊狀產品，在高爐冶煉過程中，焦炭具有如下作用：燃料 焦炭在風口前被鼓風中氧燃燒，放出熱量。高爐冶煉所消耗熱量的70%80%來自燃料燃燒。 還原劑 高爐冶煉主要是生鐵中的鐵和其他合金元素的還原過程，而焦炭中所含的固定碳以及焦炭燃燒產生的CO是鐵及其他氧化物進行還原的還原劑。2.冶煉生鐵的主要裝置高爐 冶煉生鐵所使

16、用的主要裝置是高爐。其結構如圖所示。在煉鐵時，爐料（礦石、焦炭和熔劑）從爐頂進入爐內，在自身重力作用下，自上而下運動；同時，熱風從爐子下部進入，使燃料燃燒產生的熱爐氣不斷向上運動。這樣，在爐氣和爐料之間不斷進行熱交換，進行了一系列的物理化學作用，礦石逐步被還原，并熔化成鐵水，從爐下部的出鐵口流出。爐氣上升過程中，溫度不斷降低，成份逐漸變化，最后形成高爐煤氣從爐頂排出。 3.煉鐵時高爐中的物理化學過程 高爐冶煉的目的是把鐵礦石煉成生鐵。因此，冶煉過程就是鐵的還原過程和除去脈石的造渣過程。其主要反應過程如下：（1）燃料的燃燒（2）鐵的還原（3）鐵的增碳（4）其它元素的還原（5）去硫（6）造渣4.煉

17、鐵的主要產品和副產品（1）生鐵（2）高爐爐渣（3）高爐煤氣1.2.5鋼的冶煉 通過火法冶煉得到的生鐵含有較多的碳和硫、磷等有害雜質元素，其強度低、塑性差。絕大多數生鐵需再精煉成鋼，才能用于工程結構和制造機器零件。 煉鋼的實質就是把煉鋼生鐵水或生鐵塊中的碳及雜質元素降到規定水平的過程。 降碳及雜質元素的方法是在熔化生鐵時，利用純氧等將碳及雜質元素氧化成氣體或爐渣而除去。氧化過程結束后，鐵水就變成了鋼水，但這時鋼水中形成了大量的FeO，鋼中的FeO會使鋼的力學性能變壞，因此在煉鋼后期需進行脫氧。脫氧過程是向鋼液中加入脫氧劑，脫氧劑與FeO反應，生成爐渣。所以煉鋼的過程包括脫碳，其他元素的氧化，脫磷

18、，脫硫，脫氧及合金化1.煉鋼的基本過程 （1）脫碳（2）硅、錳的氧化（3）脫磷（4）脫硫（5）脫氧及合金化2.常見煉鋼方法（1）堿性平爐煉鋼（2）電弧爐煉鋼（3）氧氣頂吹轉爐煉鋼3.鋼液的爐外精煉及鋼錠生產 為提高鋼的純凈度、降低鋼中有害氣體和夾雜物含量，廣泛采用爐外精煉技術，以實現一般煉鋼爐內難以達到的精煉效果。常見的爐外精煉方法包括真空精煉、吹氬精煉和電渣重熔。經過精煉后，鋼的性能明顯提高。煉鋼生產的技術經濟指標是以最后澆注多少合格鑄錠來衡量的。因此，鑄錠是煉鋼生產的重要環節。2. 有色金屬冶煉 有色金屬的種類較多，本文僅介紹有代表性的、用量較大的銅和鋁等金屬材料的冶煉。 2.1 銅的冶煉

19、 1煉銅原料 煉銅的原料主要是銅礦石，其次是從工業和生活中的銅及其合金廢件的回收，前者約占70%以上。 地殼中含銅僅為0.01%，但銅能形成比較富的礦床，便于工業開采利用。在各類銅礦床中，銅呈各種礦物存在，其中大部分為硫化礦和氧化礦，少量為自然銅。自然界產出的銅礦物有240多種，但多數并不常見，也不具有工業價值。到目前為止，能作為工業開采的銅礦僅有十多種。常見的硫化礦物有黃銅礦、斑銅礦、輝銅礦和銅藍(CuS)等；氧化礦物有孔雀石、硅孔雀石、赤銅礦和膽礬等。現今百分之九十的銅產量來自硫化礦，約百分之十來自氧化礦，少量來自自然銅礦。2煉銅方法及其工藝流程 煉銅方法主要有火法冶金和濕法冶金兩大類型。

20、但以火法冶金為主，約占90%。 （1）火法煉銅：火法煉銅主要用于處理硫化銅礦。它大致可分為三步，即造锍，熔煉，吹煉，火法精煉，電解精煉。本教材僅介紹火法煉銅。 （2）濕法煉銅：濕法煉銅是從處理氧化礦開始的。它主要由兩個過程組成，即銅的浸出和從溶液中電積或置換提取銅。 3火法煉銅 火法煉銅的主要流程如圖所示。（1）造锍熔煉（1）造锍熔煉（3）粗銅的火法精煉（4）銅的電解精煉4銅的濕法冶金濕法煉銅主要由兩個基本過程組成： 一是在溶劑作用下使礦石中的銅溶解進入溶液中； 二是用置換、電沉積或氫還原等方法將溶液中的銅分離出來。 濕法煉銅以前主要用于處理不適合用火法冶煉的低品位氧化銅礦、廢礦堆和浮選尾礦。近年來，為消除火法冶煉硫化銅對環境的危害，正在積極從濕法冶金中尋求處理硫化銅礦的新途徑。2.2 鋁的冶煉 鋁與氧的親和力很強，難以直接還原，故長期以來鋁的價格極高。當人類發現用電解法可以從氧化鋁中提煉出鋁后，鋁的價格大約降低了20倍。 氧化鋁主